ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟摘要：为了确保隧道施工及运行的安全性，必须对其支护结构进行受力分析。
本文以城市长大隧道为例，基于ANSYS有限元分析软件平台建立隧道支护的荷载—结构模型，并从结构变形、弯矩、轴力和剪力等方面实现对隧道支护结构的数值模拟，从分析结论及安全性的角度出发，为隧道结构的优化设计和现场施工提供依据和指导。
关键词：隧道；支护结构；ANSYS；数值模拟目前，伴随岩土力学的发展和计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元数值分析已成为隧道结构分析中发展最迅速的方法。
在参数选取合理的情况下，通过对隧道开挖过程进行仿真分析，可判定隧道围岩应力大小以及应力区和塑性区的范围，能够预测隧道施工中的险情，保证隧道施工安全和稳定性。
一、有限元数值模拟方法有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元并设定节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，在每一个单元中假设一近似差值函数以表示单元场中场函数的分布规律，利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题，一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数[1]。
在实际工程应用中，有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性和几何非线性等，适用于各种边界条件，结合大型通用有限元软件ANSYS能较好实现隧道结构的数值计算。
基本建模流程包括选择分析模型类别、创建物理环境、建立模型和划分网格、施加约束和荷载、建立有限元模型、求解和后处理等。
当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，分析过程中将围岩视为隧道结构上的荷载，且为结构本身的一部分，两者间的相互作用通过围岩的弹性支撑对结构施加约束来实现。
二、隧道结构受力分析实例2.1 设计概况目标隧道为双向六车道设计，含多种断面衬砌类型，围岩级别Ⅲ～Ⅵ级。
第3章ANSYS隧道工程应用实例分析
中国
澳大利亚
奥地利 日本
弹性地基圆环
局部支撑弹性地 局部支撑弹性地基圆 基圆环 环、 经验法加测试、 FEM 埋深<2D： 顶部无 支撑的弹性地基 圆环 埋深>3D： 全周支 撑的弹性地基圆 环或 FEM 埋深 <2D：顶部无支撑 的弹性地基圆环 埋深 >3D：全周支撑的 弹性地基圆环或 FEM
弹性地基框架、FEM、 弹 性 地 基 框 特征曲线法 架、FEM
第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 构体系，故又称为围岩—结构共同作用模型。这种模型中，围岩是直接的承载单元，支护结构 只是用来约束和限制围岩的变形，这一点刚好与第一种模型相反。这种模型主要用于由于围岩 变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护 结构原理的一种设计方法，需采用岩石力学方法进行计算。应当指出，支护体系不仅是指衬砌 与喷层等结构物，而且还包括锚杆、钢筋及钢拱架等支护在内。 围岩—结构共同作用模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型，因为 它符合当前施工技术水平，采用快速和超强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松 动压力的产生。这种模型还可以考虑各种几何形状、围岩特性和支护材料的非线性特性、开挖 面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等。 利用此模型进行隧道设计的关键问题是， 如何确定围岩初始应力场和表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决 了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力及位移状态。 这种模型中只有一些特殊隧道可以用解析法或收敛—约束法图解，绝大部分隧道求解时因 数学上的困难必须依赖数值方法，借助计算机来进行分析求解。
3.1.3 隧道荷载
参照相关隧道设计规范，隧道设计主要考虑荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，详 见表 3-2。 其中最重要的是围岩的松动压力， 支护结构的自重可按预先拟定的结构尺寸和材料重 度计算确定。在含水地层中，静水压力可按最底水位考虑。在没有仰拱结构中，车辆荷载直接
ansys隧道开挖实例
3.4 ANSYS隧道开挖模拟实例分析3.4.1 实例描述选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。
主要参数如下：◆隧道衬砌厚度为30cm。
◆采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。
◆隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。
◆溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。
◆围岩材料采用Drucker-Prager模型。
◆隧道拱腰到拱顶布置30根25Φ锚杆。
隧道围岩的物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-7所示。
表3-7 物理力学指标名称容重γ（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v内摩擦角ϕ（。
）凝聚力C（MPa）Ⅳ级围岩22 300 3.60.32370.6C25钢筋混凝土25 - 29.50.15542.42锚杆79.6 - 1700.3-- 利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。
利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。
3.4.2 ANSYS模拟施工步骤ANSYS模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。
但因为本实例隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。
模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外未受任何约束。
围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。
隧道开挖ansys模拟分析
隧道台阶法开挖的有限元模拟分析1.力学模型的建立岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。
建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。
在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。
考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。
根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。
因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。
对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型：（1）“先开洞，后加载”在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。
（2）“先加载，后开洞”这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。
两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。
在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。
在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。
对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。
弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为}{}]{[}]){[]([}{][}{0σεεεσd d D d D D d D d p ep +=-== （1） 式中，][D —弹性矩阵，][p D —塑性矩阵。
ANSYS学习的一些心得隧道开挖的有限元分析
由于水平有限，不足的地方，敬请谅解！ANSYS学习的一些心得--隧道开挖的有限元分析推荐的大体参考用书1.《基础教程与实例详解》或《经典产品基础教程与实例详解》，都是“中国水利水电出版社”的若是要系统地学，最好从基础学起，后面我会具体介绍一下我学习中的一些小小的体会和体会。
2.李权.ANSYS在土木工程中的应用.人民邮电出版社，2005这本书讲的都是实例，大体囊括土木工程中的所有项目，针对每一个实例的操作步骤写的也比较详细。
初学者能够照着练习，但对打基础帮忙不大。
关于隧道的那一节，书上的例题考虑材料属性时将岩土简单的设成线性的，而实际工程往往要用非线性来考虑，这就需要再输入材料属性的时候注意了，将岩土材料考虑成弹塑性时，一样材料用Drucker-prager(D-P)屈服条件来输入，具体是在Mainmenu>preprocessor>Material props> MaterialModels,在弹出的对话框中双击structure>Nonliner>Inelastic>Non-metalPlasticity >Drucker-prager，在弹出的对话框中输入粘聚力（cohesion）和内摩擦角(fric angle)，如直接输这两个参数，ansys会提示先输入弹性模量和泊松比，照常输入弹模和泊松比后即可输入C和φ。
土木工程应用实例，中国水利水电出版社这本书有很多命令流的介绍，还有一些分析方式的介绍，对后期学命令流操作仍是很有效的。
要学习ANSYS的命令流，有这本书帮忙会专门大。
4.《经典产品高级分析技术与实例详解》中国水利水电出版社。
这本书介绍了参数化（APDL）有限元分析技术，优化设计，单元生死技术等，是在学习的提高时期不错的一本书，在做隧道的开挖模拟时，单元生死技术是很关键的，该书的第四篇对单元生死技术有比较详细的讲解，另外还有个基坑开挖的实例，跟隧道的开挖其实也是同出一辙。
有限元法在隧道中的应用
• 限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法 已经 限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法,已经 成为解决复杂工程实际问题的重要手段。 成为解决复杂工程实际问题的重要手段。尽管隧 道的洞型和施工工序均较为复杂,应用有限元计算 道的洞型和施工工序均较为复杂 应用有限元计算 分析仍不失为一种十分理想的方法。 分析仍不失为一种十分理想的方法。科学可视化 是利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换 是利用计算机图形学和图像处理技术 将数据转换 成图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理 成图形或图像在屏幕上显示出来 并进行交互处理 的技术。在有限元分析的前后处理中,采用可视化 的技术。在有限元分析的前后处理中 采用可视化 技术将数据用形象化的图象表示,可在短时间内传 技术将数据用形象化的图象表示 可在短时间内传 递大量信息,大大基于两大关键技术 大大基于两大关键技术:其一是隧道 递大量信息 大大基于两大关键技术 其一是隧道 有限元分析,其二是可视化技术 其二是可视化技术。 有限元分析 其二是可视化技术。
1
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有限元模拟分步法开挖全过程
◆◆ ◆◆
1
前处理 @建立有限元模型（节点坐标， 单元内容，节点 次序） @定义材料属 运用有限元分析软件分析隧道的处理过程 性
求解：@施加荷载@定义位移约束条件@求 解
3 后处理（静应结构分析，屈曲分析及模态 分析，求得部分结果如：变形，应力，内力）
1 能够分析形状复杂的结构。 能够分析形状复杂的结构。 2能够处理复杂的边界条件。 能够处理复杂的边界条件。 能够处理复杂的边界条件 3能够保证规定的工程精度。 能够保证规定的工程精度。 能够保证规定的工程精度 4能够处理不同类型的材料。 能够处理不同类型的材料。 能够处理不同类型的材料
基于ANSYS隧道施工过程模拟实现
基于ANSYS的隧道施工过程的模拟实现摘要：伴随着岩土力学的发展和计算机性能的提高，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。
本文以工程实例为依托，研究了ansys有限元分析软件在隧道施工过程中的模拟实现，并着重介绍了起重单元生死的运用，为实际工程应用提供一定参考。
关键词：隧道施工；ansys；模拟；单元生死中图分类号：u45 文献标识码：a一、前言为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物统称为地下工程。
地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。
早在19世纪初，地下工程多以砖石材料为衬砌，用木支撑的分部开挖方法进行施工，这种设计的衬砌结构厚度偏大。
20世纪50年代，在地下工程的修建中，喷射混凝土和锚杆作为初期支护得到了广泛的应用，这样的柔性支护使开挖后的洞室围岩有一定的变形，围岩内部的应力重新进行分布，但是围岩能够发挥其稳定性，这样可大大减小衬砌结构的设计厚度。
20世纪60年代，随着计算机技术的发展和岩土本构关系的建立，地下工程结构的设计分析进入了以有限元法为主的计算机数值模拟分析时期。
二、单元生死如果模型中加入（或删除）材料，模型中相应的单元就存在（或消亡）。
单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。
要激活“单元死”的效果，ansys并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传到，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子（estif）。
单元的“出生”并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。
三、隧道施工工程模拟的ansys实现（一）初始地应力的考虑在ansys中有两种方法可以用来模拟初始地应力。
第一种是只考虑岩体的自重应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自重应力场。
这种方法的不足之处在于计算出的应力场与实际应力场有偏差，而且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析后续施工时，得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧洞的开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场时，需要减去初始位移场。
浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件
浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件摘要：在公路隧道设计与施工中，为了提前判断在开挖和支护工程中隧道的结构安全性，隧道结构计算的数值研究方法就成为了一种重要的设计依据和施工控制措施。
本文提供了一种方法，即利用ANSYS软件模拟隧道结构在开挖个步骤中的计算模式与应用条件。
关键词：隧道结构ANSYS模拟隧道的结构分析是利用工程力学原理，选取合理的介质，通过相似模型体系对其结构进行计算，具体过程一般通过两个途径来进行，其一是利用相似性理论，采取合理的相似系数，在室内通过模型试验来模拟实际的工程问题。
其二是数值计算，这种方法伴随着计算机的发展有了长足的进步。
目前，伴随着岩土力学的发展，再加上计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。
有限元法先将结构分解为有限的小单元，在每一个单元上，利用弹性力学、弹塑性力学等力学理论建立力学性能参数之间的关系，然后根据位移或者应力协调条件把这些小单元组合起来，求出整体结构的力学特征。
因为有限元法是利用矩阵代数方法求解方程组，而矩阵代数建立的方程组非常方便与计算机的存储与求解，所以，有限元法非常适用于分析复杂的地下结构。
1模型的建立利用ANSYS来模拟隧道开挖过程，有两种建模方法，一个是建立真三维的模型，三维模型不仅可考虑围岩的流变特性，还能考虑开挖和支护的空间效应，能保证较好的计算精度。
但是建模复杂，计算时间长，且费用较高。
另一种建模方法是建立二维模型，即按平面应变问题来处理，隧道在长度方向的尺寸比横截面的尺寸大得多,在忽略掘进的空间效应及岩石流变效应的影响时,计算模型取为平面应变是可行的。
另外，可以通过各阶段相应的初始应力释放系数来考虑开挖过程和支护时间早晚对围岩及支护受力的影响。
本文采用后者建立有限元模型。
相对于整个岩体而言，开挖所引起的应力重分布的区域是有限的，因而要确定计算模型的范围。
实践和理论分析表明，对于地下洞室开挖后的应力应变，仅在洞室周围距洞室中心点3～5倍洞室开挖宽度（或高度）的范围内存在实际影响。
ANSYS有限元在模拟隧道暗挖施工中应用
隧道进人大断面后 ， 埋深越 浅 ， 水量 逐 渐加大 ， 渗
渗 水 点 先 是 出露 于 强 风 化 岩 层 ， 后 是 出 露 于 土 岩 分 随
界 面 ， 现形式为面流 。１ 表 ２月 ３日试 验 室 量 测 得 导 坑
险征 兆 ， 切 需 要 重 新 论 证 并 制 定 新 的 开 挖 设 计 迫
ａ ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ａｙ ｉ ｏ ｅ ｅａｕ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｆ ｖ ｎ ｉ ｔｄ ｅ ｌ ｎ ｎ ｉ ａ ｎ ｌｓｓ ｆ ｒ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ｈ ｒｃ ｅｉｉ ｏ ｅ ｔ ａｅ ｍ一 ｎ ｓｃ ｌ
］ｎｍ ｎ ｉ ｅ ａ ｏｔ ０ 【］ Ｃ ｌ ｅ ｏ ｓ ｃｅｃ ｄＴｃｎ ３ ｋ ｃｔｎｐｒ ｆｓｒ ｍ Ｊ ． ｏ ａ ｍｒ ｄＲ ￣ ｎ ｉ ｅａ ｅｈ— Ｓ ｎ ｎ
ｏｏ ｙ Ｏ ４，３ １ ５— １ ４． ｌｇ ，２ Ｏ ８： ６ ８
多年冻土地 区热桩基础 数值分析 结果表 明 ： 热桩
基础 内部的冷储量在 热棒 的作用下 明显增 大 ， 从而增 大基础 抵 抗 外界 温度 的 能力 ， 有效 地 保 持 基 础 的稳 定 。热桩在 工作 年 限之 内， 限愈久 ， 护冻 土 的效 年 保 果愈好 。冻 土上限 由于热棒 的作用保持 在一 定位 置 ， 确保 了基础 的稳 定性。
道连续 发 生 四次爆 管漏 水 事件 ， 隧 道饱 受 漏 水 之 使 患， 使初支之 上 黏土层 经 自来 水反 复浸泡 ， 本接 近 原
饱和（ 含水率 ２ ．％） ７２ 状态 的土层变为 流动状态 ， 完全
丧失 了 自稳 能 力 ， 成 地 表 开 裂下 沉 ， 面 裂缝 宽 造 路
０８ｍ， 道 内 掌 子面 垮 塌 ， 支 开 裂 掉 块 等 一 系 列 危 ．ｃ 隧 初
基于ANSYS地下隧道锚喷联合支护的有限元分析PPT教案
➢ 由左右隧道开挖后围岩塑性区等效应力图可以看出，塑性区出现在拱脚处 ，而等效应力图上比较大的应力也发生在锚杆的加固范围内，说明锚杆的 长度是满足设计要求的，锚杆的承载能力也能得到很好的利用。
二次衬砌
初期支护
模筑混凝土
钢筋配置
钢拱架
C30，厚度35cm，不带仰拱
按照规范配构造钢筋
无
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施工方案: 由于该隧道以III级围岩为主，围岩的自稳性很 强，故拟采用全断面法开挖。在开挖过程中，先开 挖左隧道，待拱顶初期喷锚支护完成后，再开挖右 隧道；最后待拱顶初期喷锚支护完成后，进行左右 隧道二次衬砌支护。
剪应力图
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第一主应力图
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第三主应力图
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Y方向位移图
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X方向应力图
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Y方向应力图
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剪应力图
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第一主应力
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第二主应力
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第三主应力
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➢ 本文根据该隧道的具体地质条件条件，对高速公路隧道进行了数值计算， 得到了隧道在支护条件下的变形和围岩应力分布情况，然后根据数值计算 结果确定了锚喷支护的参数，进行了隧道支护的工程设计。
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感谢您的观看！
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基于ANSYS地下隧道锚喷联合支护的有 限元分析
近距隧道施工相互影响的ANSYS模拟
用于隧道开挖，支护过程的数值分析方法一般有有限单元法（Ｆ日Ｄ、边界元法（Ｂ叫）和有限元一边界元祸合法（ＦＥＢⅨ）。
有限元法的模拟能力强，可以考虑岩土介质的非均质性、各向异性、非连续性和材料与凡何菲线性等等。
且能适用于各种实际的边界条件．有限元法的缺点是需要将整个物理系统离散成有限自由度的计算模型，并进行分片插值，数据量大，耗时长，精度相对较低。
边界元的优越性在于：基本未知量只在所关心问题的边界上，如对隧洞计算时，它只需对分析对象的边界（此处指沿洞周界面）作离散，而外围的无限域则视为无边界。
有利于模拟和分析区域很大（趋于无穷大的无界域）、而洞室界面边界却又相对较小的隧洞和地下结构。
其次，边界元法对应力和位移解的精度很高。
与有限元法相比，边界元的最大缺点则是要求分折区域的几何、物理连续。
有限元一边界元祸合法使上述两种方法互为补充，取长补短，实践证明可以收到很好的计算效果。
在隧道结构计算时，主要关心的区域通常只局限于洞室附近，可用有限元法模拟：而对外部无界区域可用边界元按均质，线弹性体模拟即可，这样对衬砌结构的计算可以有很好的计算精度。
现实中，随着计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元法成为发展最快的数值方法，多数的大型ＣＡＥ软件都是基于有限元法编制的。
３．２．２开挖（卸荷）的模拟Ｉ、基本模拟思想隧道开挖时破坏了岩体内原有的应力平衡，围岩内的各质点在地应力的作用下，均将力图沿最短距离向消除了阻力的自由表面方向移动。
引起围岩内应力的重新分布。
直至达到新的平衡，形成所谓的。
二次应力场”．隧道的开挖导致围岩应力场及位移场的变化，一般都是通过卸荷过程来实现的。
在对卸荷过程进行模拟时，通常有两种不同的处理方法。
一种是如图３一ｌ（ａ）所示的在己知边界初始应力作用下，沿预定开挖线进行的“开挖卸载模拟方法气另一种是如图３－－Ｉ（ｂ）所示的在确定开挖空问几何形状后的“外边界加载法”。
（ａ）（ｂ）图３－ｌ卸载模型从应力路径看，隧道的开挖过程中应力场的演化是卸载过程的产物。
立隧道ANSYS有限元分析模型
出现错误。依次输入后将会出现一个又一个的圆弧，最后点二级对话框中的“OK”
按钮，生成一圈隧道模型（没有仰拱）。
在二级对话框中第一行“RAD Radius of the arc”栏中输入该弧线半径“5.67”,
然后在第二行的“Pl,P2 Keypoints at start + end”的右边依次填写"2”和"3",最后
1 for COMBIN14”的窗口，最后在“SPRING CONSTANT K”后面输“30000000”，
点“OK”，点下方的“Close”结束,出现2个设置项（Set 1和Set 2）,该过程如图
3.14和3.15所示。
图3.14 Real constant Set Number 1 for COMBIN 14组合14的实常数集I
要输入的关键点坐标如下所示，请注意务必保证输入的时候要仔细，不能出现错
误，否则只能重新再来(ANSYS没有撤销的指令)
“1”对应的坐标为“(24.70953, 17.55739,())”；“2”对应的坐标为“(24.33000,
20.00000,0)“；“3”对应的坐标为“(30.00000, 25.67000,0)“；"4”对应的坐
图3.15材料的实常数定义完成
6、给隧道模型建立衬砌支护的关键点(共计8个)：
按照老师所给的曼当1号隧道的施工设计资料图，可以大致在CAD描绘出
一个隧道“三心圆”的模型即可基本展现表现出隧道的轮廓，通过这样的尺寸来进
行建模，以及可以紧接着进行它的压力布置和它的受力分析。
那么我们将要输入8个关键点(key points)来把隧道的断面给表示出来。
ANSYS单元在隧洞模型中的应用
ANSYS单元在隧洞模型中的应用文章通过介绍ANSYS单元应用以及单元生死技术，研究单位生死在隧洞工程中的应用。
对于水工隧洞工程中有限元模型的建立进行计算条件的假设与简化，探讨单元生死在水工隧洞工程中模型的建立过程。
标签：单元生死；隧洞；模型1 ANSYS中单元应用1.1 Beam3单元Beam3单元为2D弹性单元，能够解决单轴拉压及拉压与弯曲相结合的相关力学问题。
单元每个节点具有X方向和Y方向位移以及绕Z轴转动3个自由度。
它需要输入的单元数据包括自由度、面荷载与体荷载、断面几何常数、计算特性、材料本构参数，以及关键选项选择等。
能够输出的数据包括单元和节点号、节点坐标、单元应力应变以及结构的内力和变形等。
任何形状截面的梁都可以采用Beam3单元进行计算，但必须计算其惯性矩和面积。
Beam3单元示意图如图1所示。
1.2 Plane42单元在ANSYS软件中，二维实体结构模型的建立采用Plane42。
Plane42单元既可用于轴对称的单元的计算，在平面单元中也有应用。
Plane42单元的需要输入的数据包含4个节点、1个厚度以及正交异性材料的方向和单元坐标系方向一致。
与单元相关的结果输出有两种，一种是整个节点解中的坐标位移，另外一种是附加单元的输出。
Plane42单元示意图如图2、图3所示。
2 单元生死在隧洞工程中应用2.1 单元生死的定义如果模型中添加或删除材料，对应模型中的单元就增加或消失，把单元的存在与消失的这种情形就称做单元生死。
单元生死常用于煤矿、隧道等的开挖分析、建筑相关施工、顺序组装（如分层计算机的组装）以及许多其他方面的应用。
2.2 单元生死的原理要实现单元生死的效果，不是把模型中ANSYS程序中“杀死”的单元删除，而是用一个很小的因子ESTIF乘以刚度（或传导或其他分析特性）矩阵。
因子的默认值为10E-6。
此时死单元的荷载变为0，不会对荷载向量产生任何影响（但任然在单元荷载列表中出现）。
基于ANSYS的沉管隧道管段内力三维有限元分析
Ｄｅｃ ．２０ ８ ０
基于ＡＮＳ 的沉 管隧道 管段 内力三维有 限元分析 ＹＳ
刘 霁 ，陈建宏 ， 一
（ ．中南大学 资源 与安全 丁程学 院，长沙 １ 摘 ４ ０ ８ ；２ １０ ３ ．湖南城市学院 土木Ｔ程学 院 ，湖南 益阳 ４ ３０ １０ ０）
要 ：为简化沉管隧道 管段 内力的计算并能得 出合理的计算结果 ，方便 结构设计 ，提 出了利用Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ
沉 管 隧 道 是 预 制 管 段 浮 运 沉 放 法 的 简 称
…
．
施 工时 ，将 拟 建隧 道 的水 底部 分 分 成若 干管
段 ，先在干坞或船上整体制作成型 ，两端封闭后
浮 运至 隧道 位置 ，然后 使其 下 沉到 预先 挖掘 好 的 沟槽 中 ，并在 水下 进行 管段 问 的连接 ，最 终形 成 整条 隧道 ．此 方法 是水 底隧 道最 主要 的施 工方 法
段 的平均 高潮 位 为 １ ８ｍ， 均低 潮位 为一．８ｍ； ． 平 ２ ０４ 历年 最高 潮位 ３３ ．１ ｍ，历年 最低 潮位 ．． １ ２ｍ；最 ７
大涨潮 流 速为 １ ／， 大落潮 流 速 为 １ ｍ ｓ根 ＿ ｍ ｓ最 ３ ． ／． ２
选 江 中部管段 进行 内力 分 析 ．该 管 段纵 向长 ｌ０ ０ ｍ， 断 面尺寸 为 ２ ．ｍ ×８ ５ 底 板厚 １ 横 ２８ ． ４ ｍ， ．ｍ， ２ 顶板 厚 １１ ．５ｍ，侧 墙厚 ０９ ． ｍ，中 隔墙厚 ０５ ５ ．５ ｍ
之一 ．
图 ｉ 实体 模 型
１ ． 网格 划 分 ２
在进行网格划分前先设定单元形式及材料特
性 ．本文 定义 单元类 型 为 Ｓ Ｉ ４ ，材料 弹性 模 ＯＬＤ ５ 量 为 Ｅ＝３ ５ １ ａ ． ￣ ０ ＭＰ ，泊 松 比取 ０２ ５ ．，材 料 密度 取 ２５ｋ／ ．以六 面体 网格 形 状划 分 网格 ， 方 ． ｇｍ
ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用 2
水工与施工 西北水电·2004 年·第 1 期文章编号: 1006—2610( 2004) 01—0015—0315AN SYS 在隧道衬砌结构分析中的应用石广斌( 国家电力公司西北勘测设计研究院, 西安 710065)关键词: 局部变形理论; 隧道衬砌; AN SY S; 稳定分析 ; 边值法摘 要: 根据局部变形理论, 把隧道衬砌简化成合理的 计算力学模型, 在 A NSY S 数值模拟 环境中, 按边值法的分析 思路, 对其进行结构分析。
该数值分析结果已得到了边值法验证, 是可行的。
中图分类号: T V 672. 1 文献标识码: BApplication of ANSYS in structural analysis of tunnel liningSHI Guang-bin( China Hydr o No rt hw est Invest igat ion , Design & Resear ch Inst it ut e , Xi'an 710065, China )Key Words: local def ormat ion t heo ry; t unnel lining; ANSYS; stability analysis; method boundAbstract: F ollo wing t he l ocal defo rmat ion t heor y , tunnel lining is simplif ied t reaso nable co mput at io nalmechanics model. In t he enviro nm ent of ANASYS dig it al mo delling , it s st ruct ural an sis is carried out in line wit h t he co ncept of method of bound. T he results of digit al analy sis hav e been v e ied by t he met ho dof bound and are pr act ical.目前, 用于水工、铁路、公路、矿山隧洞以及城市 地下空间结构等衬砌的内力计算方法大致可以分为 3 大类: 第一 类是, 基于地 层压力理论的 荷载结构 法; 第二类是, 基于地层应力理论的地层结构法; 第 三类是, 基于洞周位移量测值反馈设计衬砌结构的 收敛限制法。
基于ANSYS的铁路隧道开挖过程三维仿真分析
地下工程GEOTECHN I CAL ENG I N EER I NG WORLD V O L .10 N o .11收稿日期2 2006-7-25基于ANS YS 的铁路隧道开挖过程三维仿真分析王齐林1陈静曦2柯鹏振2(武汉理工大学资源与环境工程学院)摘 要 根据ANS YS 软件的特点,结合隧道力学的有关原理,建立了铁路隧道开挖的三维模型,并分析了开挖模拟后围岩的受力情况,在合理选取支护参数的情况下,认为利用ANS YS 软件来模拟铁路隧道开挖是必要的,也是可行的。
关键词 ANS YS 三维仿真分析 有限元ANS YS 程序不仅功能强大[1],应用范围很广,而且其基于Motif 标准的图形用户界面(G U I)及优秀的程序构架使初学者也能易学易用。
软件主要包括3个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
铁路隧道结构非常复杂,特别是处于不良地质条件下的隧道,进行三维有限元分析时用常规的方法很难精确模拟,并且费时费力。
而ANS YS 强大的实体建模能力可以快速精确地模拟复杂的隧道结构,通过功能完善的网格划分工具即可生成理想的三维有限元网格,并且其计算精度和速度也很高。
隧道的开挖是个复杂的系统工程,在隧道围岩非常复杂的条件下进行ANS YS 有限元开挖模拟是非常必要的,在参数选择合理的情况下,ANS YS 软件可以很好的模拟初期支护、围岩的变形、顶拱下沉等,这对开挖施工工艺、选择合理的支护结构、进行结构可靠性分析等方面都具有重要的意义[2]。
山岭隧道受力有限元分析ANSYS实例教学
山岭隧道受力ANSYS有限元分析实例教学目录一、问题重述 (1)二、模型的建立 (3)2.1模型绘制 (3)2.2模型参数选取 (3)2.3模型网格划分 (3)2.4计算外荷载（计算DK5+632断面） (4)2.5施加荷载与约束 (7)三、求解模型与受拉地基弹簧的修正 (8)四、求解结果 (10)4.1弯矩、轴力应力云图 (10)4.2关键节点内力 (10)五、附录 (11)附录1 全部节点等效荷载表 (11)附录2 全部节点内力表 (13)附录3 剪力图 (16)一、问题重述隧道起讫里程为DK4+843.5~DK6+430，全长1586.5m ，DK5+632处采用暗挖法施工，该断面的地层及结构等信息见下图。
(a) 纵断面图（单位：m ）(b) 横断面图（单位：cm ）里程 D K 5+632300°∠65°根据地质资料得：围岩级别为Ⅳ级，隧道上方土体重度依次从上往下取γ1 =18 kN/m3，γ2=23kN/m3。
请采用荷载-结构模式对该断面衬砌结构（仅二次衬砌）进行受力分析：（1）试求隧道围岩压力和有限元模型的等效节点力（不考虑重力）？（要求：单元长度取0.3m，画出单元和节点图，编制表格列出各节点的等效节点力）。
（2）采用有限元软件计算结构内力，绘制弯矩图和轴力图，列出特征部位的内力二、模型的建立2.1模型绘制在ANSYS建模，以二次衬砌中轴线为轮廓，隧道断面模型如下图：图2.1 隧道断面尺寸示意图（cm）二次衬砌采用Beam188梁单元模拟，地基弹簧采用Combin14弹簧单元模拟。
隧道纵向计算长度取为1m，二次衬砌参数选取如下表：2.3模型网格划分单元长度取0.3m，网格划分后，单元图、节点图分别如下：图2.2 离散化-节点图图2.3离散化-单元图2.4外荷载的计算（计算DK5+632断面） 2.4.1 验算坑道高度与跨度之比1232644.3032120.902 1.71232723.553212H B ++++==++++＜式中，H 表示坑道高度，B 表示坑道跨度根据我国《铁路隧道设计规范》，可以采用统计法计算。
高速交叉建筑物某隧洞初期支护三维有限元分析
高速交叉建筑物某隧洞初期支护三维有限元分析摘要：采用ANSYS对隧洞初期支护进行模拟分析，结果表明：隧洞开挖初期支护对围岩变形起到明显的改善作用，围岩开挖后变形最大1.8mm，且支护结构的应力变形基本可以满足材料强度要求，开挖前后，高速路面未产生明显的应力变形，施工期不影响高速公路行车安全。
关键词：ANSYS；数值模拟；隧洞支护；围岩变形1 概述某隧洞全长943m，设计流量2.2m3/s，设计水深1.22m，设计流速1.13m/s。
隧洞进出口洞底高程为400.592m～399.963m，进出口水面线高程为401.812m～401.183m。
隧洞净尺寸宽1.6×1.8m，隧洞开挖断面拟定为2.5×2.75m。
隧洞在距进口306.03处与高速相交，隧洞采用下穿式与高速中心线平面交角85°。
2 计算模型2.1 计算模拟理论根据对隧洞现场地质试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质，故采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀。
其模拟施工的步骤如下：第一步，首先对整个有限元模型进行初始应力的计算；第二步，对隧洞实现全断面开挖模拟；第三步，对洞周喷混凝土+挂钢筋网+系统锚杆+钢支撑支护进行模拟计算。
本文将钢筋网与喷射混凝土保护层作为整体考虑，利用ansys中提供的shell181单元模拟，工字钢粱采用beam188单元模拟，系统锚杆的模拟通过下式2-1转换，对锚固区岩体变形和强度参数加以改善。
系统锚杆对锚固区岩体变形和强度参数的改善效应可用下式表示：(2-1)式中：、、——无锚杆条件下岩体的凝聚力、内摩擦角和变形模量；——锚杆的抗拉强度；s-锚杆横截面面积；、——锚杆的纵、横布置间距；——锚杆的弹性模量；——无量纲系数，与锚杆的直径有关。
2.2 隧洞有限元模型三维有限元模型选取隧洞与周围岩体作为整体研究对象。
隧洞开挖断面尺寸为2.5×2.75m，考虑到边界效应，隧洞周围岩体范围一般取3倍的最大洞径[1]。
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ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用
摘要：结合某公路隧道的现场实际施工情况，利用ANSYS有限元分析软件，对隧道开挖引起的地表沉降、围岩应力变化、塑性区变化等进行了计算分析，研究结果对于现场施工起到了一定的指导意义，并值得类似工程的借鉴。
关键字：ANSYS软件；有限元分析；隧道工程
1.引言
隧道工程处于地面以下，岩土的构成复杂，且难于直接观察，而有限元分析则可把数值结果形象化，把内部结构相互作用过程展示出来，有很大的实用价值。
诸如隧道开挖过程中较为普遍的塌方冒顶现象，若根据地质勘察，了解场地断层、裂隙和节理的走向与密度，借助于试验方法，可以确定岩石本身的力学性能及岩体夹层和界面的力学特性、强度条件。
在此基础上，通过有限元分析可以确定开挖过程中硐室的应力分布、判断硐室是否稳定[4]。
隧道开挖有限元计算的重点是评估隧道开挖引起的地面沉降，研究和评估整体和局部结构由此产生的反应，研究施工过程中隧道衬砌和岩土体的相互作用。
2. 工程背景及有限元模型的建立
2.1隧道工程概况
某隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，建筑限界宽度为17.25m，净高5m。
左右主线隧道均采用四车道，最大毛洞开挖跨度为19.9m，高度10.838m，项目场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘陵区，地质复杂，施工难度大。
隧道左洞全长319m；右洞全长315m。
左洞拱顶埋深最大为18.182m，右洞拱顶埋深最大为8.732m，两隧道中心线间距31.37m。
隧道左右隧道间距为小净距(最小11m左右)，为特大断面小净距隧道。
图2.1隧道设计断面图
图2.2魁岐隧道出洞口图
2.2材料参数选择
根据已有现场施工、勘察资料，近似将场地分为四类岩土层，最上一层为坡积亚粘土层，其下部分别为强风化花岗岩层、弱风化花岗岩层、微风化花岗岩层。
各岩土层厚度及材料参数分别如表1示。
表1各岩土层厚度及材料参数
隧道初期支护采用锚杆加喷射混凝土支护，锚杆加固围岩形成锚杆加固区，根据经验，该区域内岩石材料参数较加固前提高20%，该分析中将相关参数提高20%用于分析计算。
锚杆加固区及初期喷射混凝土、二衬混凝土、均采用面单元进行模拟，隧道分布开挖过程中的钢支架加喷射混凝土支护采用梁单元。
相应支护材料材料参数见表2。
围岩用摩尔库仑弹塑性本构材料模拟，衬砌材料用弹性材料模拟。
表2隧道支护材料参数
2.3模型的建立
计算边界条件呈梯形状，计算宽度231m，梯形左边计算长度为137m，右边计算长度为13m。
为了保证模型在计算过程中不出现整体移动，在梯形左右两侧边界施加水平向位约束移，在下边界施加竖向位移约束。
在网格划分处理中，采用映射网格划分与自由网格划分相结合的网格划分方法。
相应数值计算几何模型见图2。
图2.3数值模拟计算模型
3. ANSYS计算结果分析
计算采用大型有限元软件ANSYS对隧道断面开挖过程进行了动态模拟，利用ANSYS提供的生死单元来模拟开挖过程，计算隧道整体开挖完成后结构的位移、及应力变化。
3.1沉降位移分析
下面给出了隧道开挖全部完成后引起的水平向位移云图(图4)、竖向位移云图(图5)和第一、三主应力云图(图6、7)。
图3.1水平向位移云图图3.2竖向位移云图
随着隧道的开挖修建，由图5可知：隧道左洞洞顶出现最大沉降位移量，大小为0.510mm。
说明围岩情况良好，支护处理合理，很有效的控制了位移的增加。
特别是采用锚杆以及稍差地质条件下的管棚超前加固所形成的加固拱圈，大大地降低了地表沉降。
同时，隧道右洞埋深较浅，故其沉降较左洞要小一些。
地表最大沉降发生在左洞洞顶，其原因是先开挖右隧道，对左侧隧道上方土体产生了一次扰动，再开挖左隧道时，对左侧隧道上方土体产生了二次扰动，而且中墙左侧部位隧道的埋深也比较大，故在该处产生了较大的地表沉降。
水平位移结果显示：隧道左洞右侧侧墙至拱顶段水平向位移为正向最大，大小为0.180mm，左侧侧墙与反底拱交界处出现负向水平位移最大值，大小为0.171mm。
分析原因可能是由于左洞埋深较大，偏压较明显，隧道洞径过大引起了较为明显的应力集中现象。
图3.3第一主应力云图图3.4第三主应力云图
3.2应力分析
结合第一、三主应力图6、7可以得出：整个模型断面除隧道周边的多数位置的第一主应力均为0，即这些位置的受力均为压力，不受拉力。
在接近洞室的位置处，应力值明显增大，特别是拱顶和拱底处应力最大，且均为拉应力，这是由于隧道开挖所引起的，左洞应力明显大约右洞。
拉应力最大值出现在左洞拱底位置，大小为0.607Mpa。
图3.5塑性区分析应力云图
3.3塑性区分析
结合图8可知：整个开挖过程中，隧道内部及周边未出现塑性区，围岩始终
处于弹性状态，受力条件良好。
说明采用CRD法施工对围岩的扰动比较小，而且锚杆和管棚超前支护对拱顶围岩的加固效果较好。
3.4隧道间相互作用分析
双线隧道开挖时，后开挖隧道与先开挖隧道之间的相互作用明显[6]，引起临近隧道边墙水平向位移，因此，中间岩柱较窄处应注意采取加固措施。
然后通过动态模拟分析。
4.结论
（1）本文采用有限元分析方法对施工全过程进行仿真模拟，可以早于隧道开挖前预先掌握隧道开挖过程中围岩的位移、应力变化规律，以便于监控量测工作中有针对性的制订相应的监测方案，以及对受力不利位置可能发生的不良现象做到心中有数，尽量减少工程事故的发生，以提高生产效率。
（2）在隧道左洞拱顶衬砌与仰拱，尤其是左洞仰拱都存在拉应力，拱顶与仰拱的二次衬砌采用钢筋混凝土是比较合理的。
（3）对于偏压隧道开挖分析后得出，埋深较大的左洞要比埋深较小的右洞在受力与变形上处于更不利状态，施工支护时应适当考虑左洞支护适当加强以适应较大的应力。
（4）由于隧道埋深较浅，且围岩质量较好，隧洞周边与邻近区域未出现明显的塑性区。
围岩受力状态良好。
参考文献：
[1] 江见鲸，何放龙，何益斌，陆新征.有限元法及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007
[2] 崔可佳.浅埋城市隧道爆破施工对地表及邻近既有隧道振动影响的研究.重庆:重庆大学，2007.。